齒輪常見(jiàn)故障與診斷

1、齒輪常見(jiàn)故障與診斷第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五課程回顧： 往復(fù)機(jī)械故障特點(diǎn)及影響因素 氣閥故障原因及信號(hào)特征 敲缸故障原理及信號(hào)特征 拉缸故障原理及信號(hào)特征 管網(wǎng)振動(dòng)故障原理及信號(hào)特征第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷本章重點(diǎn)：1、齒輪故障形式、形成原因及振動(dòng)機(jī)理2、正常齒輪的時(shí)域與頻域特征3、齒輪均勻磨損的時(shí)域與頻域特征4、齒輪偏心的時(shí)域與頻域特征5、齒輪不同軸的時(shí)域與頻域特征6、齒輪局部異常的時(shí)域與頻域特征7、齒距誤差的時(shí)域與頻域特征8、不平衡齒輪的時(shí)域與頻域特征故障齒輪第3頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日

2、，2點(diǎn)2分，星期五一、齒輪故障的常見(jiàn)形式與原因 齒輪故障的常見(jiàn)形式： (1)齒面磨損 (2)齒面膠合和擦傷 (3)齒面接觸疲勞 (4)彎曲疲勞與斷齒 第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第4頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 主要原因： (1) 制造誤差:偏心、齒距偏差和齒形誤差等。 偏心:齒輪（一般為旋轉(zhuǎn)體）的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，如左圖中的小輪。齒距偏差：齒輪的實(shí)際齒距與公稱齒距有較大誤差，如左圖中的大齒輪。齒形誤差：漸開(kāi)線齒廓有誤差，如右圖所示。第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五（2）裝配不良：工作狀態(tài)劣化。圖(a)：齒輪軸

3、不平行時(shí)，會(huì)在齒寬方向只有一端接觸，或者出現(xiàn)齒輪的直線性偏差等，使齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，不能平穩(wěn)地傳遞動(dòng)扭矩，圖(b)：齒的局部承受過(guò)大的載荷，有可能造成斷齒。 第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（3）潤(rùn)滑不良： 對(duì)于高速重載齒輪，潤(rùn)滑不良會(huì)導(dǎo)致齒面局部過(guò)熱，造成色變、膠合等故障。 導(dǎo)致潤(rùn)滑不良的原因是多方面的，如：油路堵塞、噴油孔堵塞，潤(rùn)滑油中進(jìn)水、潤(rùn)滑油變質(zhì)、油溫過(guò)高等都會(huì)造成齒面潤(rùn)滑不良。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（4）超載 對(duì)于工作負(fù)荷不

4、平穩(wěn)的齒輪驅(qū)動(dòng)裝置(例如礦石破碎機(jī)、采掘機(jī)等)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，就會(huì)造成輪齒過(guò)載斷裂，或者長(zhǎng)期過(guò)載導(dǎo)致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。（5）操作失誤 操作失誤通常包括缺油、超載、長(zhǎng)期超速等，都會(huì)造成齒輪損傷、損壞。第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五二、齒輪的振動(dòng)機(jī)理1、齒輪的力學(xué)模型分析 齒輪具有一定的質(zhì)量，輪齒可看作是彈簧，所以若以一對(duì)齒輪作為研究對(duì)象，則該齒輪副可以看作一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 齒輪的振動(dòng)主要是由k(t)的這種周期變化引起的。 k(t) 為周期性的變量：一是隨著嚙合點(diǎn)位置而變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。第9頁(yè)

5、，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷式中：n1、n2主、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，Z1、Z2主、從動(dòng)輪的齒數(shù)。嚙合頻率fc： 從一個(gè)齒輪開(kāi)始嚙合到下一個(gè)齒輪進(jìn)入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次，由此可以計(jì)算出齒輪的嚙合周期及頻率。齒輪嚙合剛度的變化頻率稱為嚙合頻率。第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 2、幅值調(diào)制與頻率調(diào)制 齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象中包含有很多故障信息，從頻域上看，信號(hào)調(diào)制的結(jié)果是使齒輪嚙合頻率周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。 信號(hào)調(diào)制可分為兩種：幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。 第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2

6、點(diǎn)2分，星期五 （1）幅值調(diào)制 幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振動(dòng)幅值的影響而造成的。幅值調(diào)制從數(shù)學(xué)上看，相當(dāng)于兩個(gè)信號(hào)在時(shí)域上相乘；而在頻域上，相當(dāng)于兩個(gè)信號(hào)的卷積。 載波信號(hào)頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高；調(diào)制信號(hào)頻率相對(duì)于載波頻率來(lái)說(shuō)較低。在齒輪信號(hào)中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率成分通常是調(diào)制波成分。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第12頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 一組頻率間隔較大的脈沖函數(shù)和一組頻率間隔較小的脈沖函數(shù)的卷積，在頻譜上就形成若干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側(cè)的邊頻族。第13頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期

7、五（2）頻率調(diào)制 齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動(dòng)，除了對(duì)振動(dòng)幅值產(chǎn)生影響外，同時(shí)也必然產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。這種波動(dòng)表現(xiàn)在振動(dòng)上即為頻率調(diào)制(也可以認(rèn)為是相位調(diào)制)。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 對(duì)于齒輪傳動(dòng)，任何導(dǎo)致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率調(diào)制。兩種調(diào)制總是同時(shí)存在的。對(duì)于質(zhì)量較小的齒輪副，頻率調(diào)制現(xiàn)象尤為突出。 頻率調(diào)制即使在載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)均為單一頻率成分的情況下，也會(huì)形成很多邊頻成分。第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五三、齒輪故障診斷常用

8、的信號(hào)分析處理方法 當(dāng)邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時(shí)，就分析不出齒輪的故障，可采用頻率細(xì)化技術(shù)提高分辨率。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 倒頻譜能夠明顯地顯示出功率譜上的周期成分，將原來(lái)成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察。可由此檢測(cè)出齒輪故障時(shí)振動(dòng)頻譜中的等間隔邊頻帶。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 四、齒輪常見(jiàn)故障信號(hào)特征與精密診斷1、正常齒輪的時(shí)域特征與頻域特征（1）時(shí)域特征 正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性的衰減波形。其低頻信號(hào)具有近似正弦波的嚙合波形。（2）

9、頻域特征 正常齒輪的信號(hào)反映在功率譜上，有嚙合頻率及其諧波分量，且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減?。辉诘皖l處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波。第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷第18頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五 2、故障情況下振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征與頻域特征（1）均勻磨損第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 齒輪均勻磨損是指由于齒輪的材料、潤(rùn)滑等方面的原因或者長(zhǎng)期在高負(fù)荷下工作造成大部分齒面磨損。 時(shí)域特征：正弦波的嚙合波形遭到破壞第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 頻域特征：齒面均勻磨損時(shí)，嚙合頻率及其諧波分量n倍頻在頻譜圖上的位置保

10、持不變，但其幅值大小發(fā)生改變，而且高次諧波幅值相對(duì)增大較多。分析時(shí)，要分析三個(gè)以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢測(cè)出這種特征。 隨著磨損的加劇，還有可能產(chǎn)生分?jǐn)?shù)諧波，有時(shí)在升降速時(shí)還會(huì)出現(xiàn)呈非線性振動(dòng)的跳躍現(xiàn)象。第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷故障實(shí)例第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（2）齒輪偏心 齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉(zhuǎn)軸的中心不重合，這種故障往往是由于加工造成的。 時(shí)域特征：當(dāng)一對(duì)互相嚙合的齒輪中有一個(gè)齒輪存在偏心時(shí)，其振動(dòng)波形由于偏心的影響被調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)幅振動(dòng)。第22頁(yè)，共31頁(yè)

11、，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 頻域特征：齒輪存在偏心時(shí)，其頻譜結(jié)構(gòu)將在兩個(gè)方面有所反映：一是以齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為特征的附加脈沖幅值增大；二是以齒輪一轉(zhuǎn)為周期的載荷波動(dòng)，從而導(dǎo)致調(diào)幅現(xiàn)象，這時(shí)的調(diào)制頻率為齒輪的回轉(zhuǎn)頻率，比所調(diào)制的嚙合頻率要小得多。第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷 （3）齒輪不同軸 齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當(dāng)造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會(huì)使齒輪產(chǎn)生局部接觸，導(dǎo)致部分輪齒承受較大的負(fù)荷。 時(shí)域特征：時(shí)域信號(hào)具有明顯的調(diào)幅現(xiàn)象。 頻域特征：在頻譜上產(chǎn)生以n倍嚙合頻率為中心，以故

12、障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的一階邊頻族。同時(shí)，故障齒輪的旋轉(zhuǎn)特征頻率在頻譜上有一定反映。第24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（4）齒輪局部異常 齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等。局部異常齒輪的振動(dòng)波形是典型的以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為周期的沖擊脈沖，如圖所示。具有局部異常故障的齒輪，將以旋轉(zhuǎn)頻率為主要頻域特征。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷故障實(shí)例第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（5）齒距誤差 齒距誤差是指一個(gè)齒輪的各個(gè)齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。 時(shí)域特征：在低頻下可以觀察到明顯的調(diào)幅特征。 頻域特征：頻域上包含旋轉(zhuǎn)頻率的各次諧波、各階嚙合頻率以及以故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻等。第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)2分，星期五第九章 齒輪常見(jiàn)故障與診斷（6）不平衡齒輪 齒輪的不平衡是指齒輪的質(zhì)心和回轉(zhuǎn)中心不重合，從而導(dǎo)致齒輪副的不穩(wěn)定運(yùn)行和振動(dòng)。 時(shí)域特征：齒輪產(chǎn)生以調(diào)幅為主、調(diào)頻為輔的振動(dòng)。頻域特征：在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)產(chǎn)生邊頻族；同時(shí)，受不平衡力的激勵(lì)，齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波的能量也有相